耳蜗放大器的位置和分布的在体测量及其产生机制的研究

The high hearing sensitivity of the mammalian cochlea results from a complex biomechanical electro-chemical process, called cochlear amplifier （CA）. The location and the spatial distribution, as well as the CA generation mechanism have been hot topics in the field of cochlear mechanics but remained unknown until now. In this study, we will: 1) Measure the longitudinal distribution of the RL and BM vibration spectra in vivo, and calculate the OHC length change so as to estimate the location and longitudinal distribution of the CA. 2) Based on the spatial distribution of RL and BM vibration data, study the longitudinal coupling mechanisms inside the organ of Corti with a mathematical model so as to understand its contribution to the CA generation. The significances of this study are 1) The in vivo measurement of vibration spectra of internal structure of organ of Corti using low-coherence interferometry technique; 2）The method to estimate the CA spatial distribution from the OHC activity, rather than the traditional BM vibration spectra.With the combination of novel experimental data with modeling effort, this study will provide a new angle for understanding CA generation.

耳蜗的高听觉灵敏度来源于科蒂氏器内部复杂的生物力学和电化学等过程，总称为耳蜗放大器（CA）。CA的空间分布以及产生机制一直是耳蜗动力学领域的研究热点，但是至今没有完全理解。本研究将：1）运用先进的近红外低相干干涉仪系统，在体测量网状板（RL）和基底膜（BM）的振动频谱在耳蜗长度方向的分布，并由此计算出外毛细胞（OHC）伸长缩短运动频谱的分布，并以此确定CA在耳蜗长度方向的位置和分布。2）利用RL和BM空间分布测量结果，结合数学模型对科蒂氏器内部沿长度方向的耦合机制进行研究，理解它们对CA产生的影响。本研究的意义在于采用全新的光学方法对科蒂氏器内部结构振动的空间分布进行扫描测量，并提出了以OHC伸长缩短而不是传统的BM振动来估计CA。并以此扫描数据结合模型对耳蜗长度方向耦合机制进行了研究，对CA产生机制的提供了新视角。

哺乳动物的耳蜗能够对其所接收到的声音信号进行频率解析和非线性主动放大，该机制的结构基础被称为耳蜗放大器。目前虽然已知耳蜗放大器位于耳蜗中的柯蒂氏器内，但耳蜗放大器沿耳蜗及柯蒂氏器纵向的空间位置和分布还不明确。同时，虽然目前普遍认为耳蜗放大器能够通过柯蒂氏器内精细结构的振动实现对声音的解析和放大，且毛细胞是耳蜗放大器在细胞水平上的功能单元，但耳蜗放大器的产生和作用机制尚不完全清楚。本研究围绕测量耳蜗放大器沿耳蜗纵向的空间位置和分布，以及阐释耳蜗放大器在细胞及遗传水平上的产生和作用机制这2个目标展开。首先，我们通过对豚鼠耳蜗柯蒂氏器内基底膜在声音激励和直接机械振动刺激条件下的振动响应进行在体测量，以及建立反映耳蜗力学性质的数学模型，推算了耳蜗放大器在柯蒂氏器内沿纵向的空间位置和分布。该部分实验及分析结果初步证实对应某声音频率的耳蜗放大器位于该频率所对应基底膜特征位置的近底回侧。随后，我们通过对与耳蜗放大器相关的细胞和基因进行功能检测与分析，推动了旨在揭示耳蜗放大器产生和作用机制的研究。通过前庭眼动反射和惊吓反应，我们检测了小鼠和斑马鱼在耳毒性药物暴露及内耳相关基因突变的条件下，毛细胞生理功能及状态的变化。在以小鼠为模式动物的前庭眼动反射实验中，我们证实了Lhfpl5和Cdh23基因对毛细胞功能的影响，以及耳毒性药物3,3’-亚甲基二丙腈（IDPN）对毛细胞的损伤。其中，我们通过IDPN暴露条件下毛细胞功能状态随时间变化的曲线，得到了IDPN对毛细胞损伤作用的潜伏期，以及IDPN剂量与损伤程度的定量关系。在以斑马鱼为模式动物的前庭眼动反射和惊吓反应实验中，我们证实了耳毒性药物新霉素对斑马鱼毛细胞功能状态的损伤，并得到了所施加新霉素的剂量与毛细胞损伤程度的定量关系。另外，我们还通过对不同基因突变型的果蝇进行听觉相关的行为学及神经细胞活动分析，阐释了牛磺酸转运蛋白在果蝇听觉中的作用。